?核聚變是大自然一個(gè)極為普通的現(xiàn)象，滿天的繁星和我們的太陽就掛在那里展示他們聚變產(chǎn)生的效果，根據(jù)NASA公布的數(shù)據(jù)，雖然太陽中心最高溫度只有約1571萬攝氏度（好涼快呀），但因?yàn)樘栔行牡膲毫_(dá)到了2.477E11個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（2477億倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），因此原子核（裸核，不再束縛電子）碰撞幾率極高，在太陽核心處，每秒都有6.5億噸元素參與聚變，虧損的質(zhì)量超過400萬噸！這是一種近乎無限的能源，我們的太陽靠這種聚變的機(jī)制大約還能穩(wěn)定燃燒50億年。
核聚變是兩個(gè)較小的原子核聚合為一個(gè)較大的原子核，因原子核中多余的膠子和介子被拋棄，其損失的質(zhì)量便以能量的方式釋放出去，而這種釋放遵循質(zhì)能方程e＝MC2。
氘與氚的聚變其釋放的能量是裂變的4倍，是煤和天然氣的400萬倍
太陽內(nèi)部的聚變過程讓你不得不感嘆大自然的大道至簡(jiǎn)、衍化至繁，簡(jiǎn)單的氫原子通過一系列反應(yīng)又回到了氫，循環(huán)往復(fù)的過程中產(chǎn)生了正電子、中微子、氦3、氦4、宇宙射線以及萬物。寶貴的氦3會(huì)隨著太陽風(fēng)擴(kuò)散到太陽系內(nèi)，而月球因無大氣遮擋在表面沉積了大量的氦3，這可能是未來人類核聚變的寶貴礦產(chǎn)。
我們?nèi)祟愖詮牧私獾竭@個(gè)機(jī)制以后，科學(xué)家們就一直想要在地球上去制造這種太陽－－實(shí)現(xiàn)可控核聚變，然而在地球上，運(yùn)用宇宙基本規(guī)律產(chǎn)生能量對(duì)我們?nèi)祟惗钥此坪?jiǎn)單卻又難以啟及。因?yàn)榧夹g(shù)上、成本上、政治上和人類能源利用的多選擇性等原因，“實(shí)現(xiàn)可控核聚變永遠(yuǎn)在50年之后”的說法廣為流傳。即便如此，駕馭宇宙基本力量的誘惑、更高等文明的象征以及核聚變?nèi)绱嗣烂畹膽?yīng)用前景，使得即使前路漫漫、迷霧重重，人類卻還在孜孜不倦的追求著。
要實(shí)現(xiàn)聚變，就必須要克服原子核之間的庫(kù)侖斥力，解決的辦法就是讓原子核以極高的速度撞擊或者增大撞擊概率，在宏觀上就表現(xiàn)為提高反應(yīng)所需的溫度或密度。
總體來說，人類目前核聚變的步伐還停留在實(shí)驗(yàn)階段，主要的目的是為了先完成聚變的自持，其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的核聚變，輸出能量大于等于輸入能量，所以在聚變材料上也選取了較容易實(shí)現(xiàn)聚變且“比結(jié)合能差”（聚變能量產(chǎn)生較多的）較大的氘與氚。同時(shí)，這2種材料都好搞到，前者海水里很多，后者可以通過中子與鋰制備（就是價(jià)格有點(diǎn)小貴，好在可以在聚變中增殖），完成穩(wěn)態(tài)的聚變自持后還有關(guān)于中子問題、材料大規(guī)模制備及增殖利用、如何發(fā)電、商用化等大課題在前方等著，所以目前在建在用的裝置都屬于實(shí)驗(yàn)裝置。
目前主流（別瞧不起非主流，我們下次再介紹下）實(shí)驗(yàn)裝置為磁約束型，這是一種有較長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)歷史，最有希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用聚變發(fā)電的技術(shù)途徑。
磁約束核聚變(托卡馬克)。環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)的縮寫，這類裝置最初是由位于蘇聯(lián)莫斯科的庫(kù)爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀(jì)50年代發(fā)明，其原理是用超導(dǎo)線圈產(chǎn)生強(qiáng)大的方向磁場(chǎng)約束高溫的等離子流，通過不斷的加熱，使溫度達(dá)到聚變條件。
目前全世界托卡馬克裝置大大小小有十幾個(gè)，這里主要介紹一下有代表性的和知名度比較高的：
1.合肥的EAST（實(shí)驗(yàn)Experimental、先進(jìn)'Advanced'、超導(dǎo)'Superconducting'、托卡馬克'Tokamak'），又稱東方超環(huán)；
托卡馬克裝置的運(yùn)行質(zhì)量有三個(gè)重要的指標(biāo)：等離子體密度、溫度、持續(xù)時(shí)間。2018年底，EAST首次實(shí)現(xiàn)了5x10^19 cm3等離子體，中心溫度1億度（這是一個(gè)重要的指標(biāo)，它是無壓力條件下氘與氚的聚變起始溫度），約束時(shí)間達(dá)101.2秒，標(biāo)志著EAST朝實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)核聚變邁出了重要一步。
2.國(guó)際合作項(xiàng)目ITER（國(guó)際International 、熱核Thermonuclear、 實(shí)驗(yàn)Experimental 、堆Reactor），由中、英、印、日、韓、俄、美七國(guó)聯(lián)合建設(shè)，ITER計(jì)劃七方2006年正式簽署聯(lián)合實(shí)施協(xié)定，啟動(dòng)實(shí)施ITER計(jì)劃，選址法國(guó)南部卡達(dá)拉舍（Cadarache），ITER計(jì)劃將歷時(shí)35年，其中建造階段10年、運(yùn)行和開發(fā)利用階段20年、去活化階段5年。但由于和尚多了沒水吃，且耗資不斷加碼（200億美元），所以目前還沒建好。
ITER要把上億度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達(dá)837立方米的'磁籠'中，產(chǎn)生50萬千瓦的聚變功率，持續(xù)時(shí)間達(dá)500秒。50萬千瓦熱功率已經(jīng)相當(dāng)于一個(gè)小型熱電站的水平。這將是人類第一次在地球上獲得持續(xù)的、有大量核聚變反應(yīng)的高溫等離子體，產(chǎn)生接近電站規(guī)模的受控聚變能。
3.CFETR（中國(guó)China、聚變Fusion 、工程Engineering 、實(shí)驗(yàn)Test、 堆Reactor），根據(jù)目前公開的資料，CFETR在借鑒ITER現(xiàn)有的物理和技術(shù)基礎(chǔ)上，將主要研究穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體特性和控制燃料氚的自持、聚變發(fā)電、聚變堆材料等重大科技問題。
CFETR體積約為ITER的85%，其中它的裝置的大環(huán)直徑將達(dá)到11.4米，小環(huán)直徑3.2米，在裝置尺寸縮減的同時(shí)，還要保持環(huán)內(nèi)等離子體電流達(dá)到10兆安，縱向磁場(chǎng)5特斯拉，氚再生比例大于1.2。
CFETR裝置一期在物理上將實(shí)現(xiàn)較為可靠穩(wěn)妥的科學(xué)目標(biāo)，聚變能輸出功率達(dá)到200兆瓦。二期工程，將充分利用國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過堆內(nèi)部件的升級(jí)，在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)堆上實(shí)現(xiàn)大于1000兆瓦聚變能的輸出，反應(yīng)產(chǎn)出比這一關(guān)鍵指標(biāo)的“Q值”將實(shí)現(xiàn)大于25，也就是說每消耗1份能量，將會(huì)得到25份能量，而ITER才僅僅為10。
可以看出，中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）是為真正利用核聚變?nèi)剂线M(jìn)行發(fā)電而設(shè)計(jì)的工程實(shí)驗(yàn)堆。
上述三種代表工程都是標(biāo)準(zhǔn)的托卡馬克，為了解決等離子體漂移問題，除了外面的大磁鐵形成了環(huán)形磁場(chǎng)，還需要施加由等離子體電流磁場(chǎng)形成的環(huán)形螺旋場(chǎng)、極向磁場(chǎng)等多種輔助磁場(chǎng)對(duì)等離子電流進(jìn)行約束，因而其運(yùn)行模式為脈沖式，因控制因素多，所以密度、溫度、持續(xù)時(shí)間這三個(gè)參數(shù)要往上走難度都很大。
4.德國(guó)文德爾施泰因7-X仿星器（stellarator，扭成麻花的托卡馬克）
仿星器，顧名思義是仿照恒星內(nèi)部持續(xù)不斷的聚變反應(yīng)所設(shè)計(jì)的聚變裝置（自我感覺良好，能和太陽比嗎），也是磁約束核聚變家族的一個(gè)主要成員。最初由美國(guó)物理學(xué)家Lyman J Spitzer在1950年提出。
前面已經(jīng)介紹了，標(biāo)準(zhǔn)托卡馬克并不能完全束縛等離子體，由于環(huán)形截面上磁場(chǎng)的分布不均勻，帶電粒子會(huì)在磁力線之間漂移，能量較高的粒子會(huì)漂移到外部，所以等離子束流會(huì)向外膨脹然后打到管道內(nèi)壁上。為在托卡馬克中獲得高溫的等離子體，必須抑制這種漂移。
仿星器是托卡馬克的一種變體，這其實(shí)就是將標(biāo)準(zhǔn)托卡馬克控制等離子流的難度轉(zhuǎn)換成制造和組裝工藝的難度，仿星器的工藝復(fù)雜，加工和安裝的精確度要求高，文德爾施泰因7-X造價(jià)達(dá)10.6億歐元，光是建立這些造型奇特的磁鐵就花了 6 年時(shí)間，所以目前也就德國(guó)人這個(gè)最有希望，此外還有美國(guó)的HSX和日本的LHD就不一一介紹了。
因?yàn)槠渚哂信まD(zhuǎn)的磁場(chǎng)，這一個(gè)磁場(chǎng)就解決問題，其非對(duì)稱設(shè)計(jì)和特殊的磁鐵形狀可以抵消等離子體的漂移，因此仿星器約束等離子體的穩(wěn)定性上具有先天的優(yōu)勢(shì)，他們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)1.5億度30分鐘的約束時(shí)間，但他們目前主要的目標(biāo)就是為了研究約束等離體流問題，主攻方向并不是為了發(fā)電，以此為模式的發(fā)電項(xiàng)目需要等到ITER項(xiàng)目完全運(yùn)轉(zhuǎn)以后才啟動(dòng)了。
至慣性約束型的聚變實(shí)驗(yàn)裝置，其實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)真的不是為了發(fā)電，如美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置，中國(guó)的“神光二號(hào)“等，這里就不再介紹了。
美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置。
ONE MORE THING
講了這么多，前面提到的主都是不差錢的，搞研究嘛，錢不是問題，別跟我提成本，那前面提到的非主流派呢，他們多為私營(yíng)企業(yè)或由私營(yíng)企業(yè)重點(diǎn)贊助的團(tuán)隊(duì)，成本控制才是第一位，因此做法比較激進(jìn)、腦洞開的大，就是為了要盡快實(shí)現(xiàn)商用發(fā)電，很令人激動(dòng)哦，嗯，限于篇幅，我們下期再聊。。。你不點(diǎn)一下關(guān)注嗎？
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